JP4419948B2 - 光記録再生方法 - Google Patents

Description

本発明は、高開口数の対物レンズを用いて近接場（ニアフィールド）光による記録及び／又は再生を行う光記録媒体及び光記録再生方法に関する。

ＣＤ（Compact Disc）、ＭＤ（Mini Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）に代表される光（もしくは光磁気）記録媒体は、音楽情報、映像情報、データ、プログラム等の格納媒体として広く利用されている。これらの光記録媒体を記録再生するシステムでは、対物レンズが非接触で光記録媒体の表面と対向し、光記録媒体の記録面に形成された微少な凹凸や相変化材料の反射率変化構造、また光磁気記録方式の場合はカー回転角の変化する磁気ドメイン構造を検出して微少な記録マークを読み取っている。
近年、このような光記録媒体において、益々大容量化、高記録密度化が望まれていることから、より小さい記録マークを光記録媒体に形成し、それを高い解像度をもって読み出す技術が検討されている。

光記録媒体上に照射される光のスポットの大きさは、照射する光の波長をλ、光記録媒体上にこの光を集光する集光レンズの開口数をＮＡ_ｏｂｊとすると、およそλ／ＮＡ_ｏｂｊで与えられ、解像度もこの値に比例する。開口数ＮＡ_ｏｂｊは、
ＮＡ_ｏｂｊ＝ｎ_Ａ×ｓｉｎθ
である。ここで、ｎ_Ａはレンズと光記録媒体との間に介在する媒質、すなわち空気の屈折率、θは対物レンズの周辺光線の入射角度である。媒質が空気である以上ＮＡ_ｏｂｊは１を超えることができず、解像度に限界がある。このため、光記録再生装置では、その光源、例えば半導体レーザの短波長化や、集光レンズの開口数の増大化が図られている。

これに対し、１より大きい開口数を達成する手法として、エバネッセント波、すなわち界面から指数関数的に減衰する光を用いるいわゆる近接場光による記録再生方式（ニアフィールド光記録再生方式）が提案されている。このニアフィールド光記録再生方式においては、集光レンズと光記録媒体の表面との間隙を非常に小さくする必要がある。
光記録媒体に近接場光を照射して記録再生を行う手法として、対物用の光学レンズとソリッドイマージョンレンズ（ＳＩＬ：Solid Immersion Lens、固浸レンズ）とを組み合わせて近接場光学系を構成し、これによりニアフィールド光記録再生を行う方法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。

上記特許文献１に記載されているように光学レンズとＳＩＬとを組み合わせて用いる場合、これら組み合わせレンズによる近接場光学系の実効的な開口数ＮＡは、ＳＩＬが超半球状の場合は、
ＮＡ＝ｎ_ＳＩＬ ^２ＮＡ_０ ・・・（１）
と表される。ここで、ｎ_ＳＩＬはＳＩＬを構成する材料の屈折率、ＮＡ_０はＳＩＬと組み合わせる光源側に配置する光学レンズの開口数である。
上記式（１）より、ＳＩＬを構成する材料（対物レンズと光記録媒体との間の媒質とみなされる）の屈折率を上げることにより、開口数ＮＡを高くすることができることが分かる。

一方、本出願人は、このようにＳＩＬ等を用いて近接場光による記録再生を行う場合の実効的な開口数ＮＡと、光記録媒体の最表面を構成する材料の屈折率ｎとの関係が、
ｎ≧ＮＡ ・・・・（２）
となることが、解像度を確実に高めるために必要であることを見出した（例えば特許文献２参照。）。
上記式（２）の条件を満たさない場合は、開口数ＮＡで得られるスポット内の一部しかされず、観察スポットの外縁部が全反射により白くなってしまい、上記式（２）の条件を満たす場合は、開口数ＮＡで得られるスポット内全体が観察される。これにより、確実に解像度を高め、良好な記録再生特性をもって微小な記録マークの再生が可能となる。

特開平５−１８９７９６号公報 特開２００４−８７０８７号公報

上述したようなＳＩＬを用いて近接場光による記録再生を行う場合、ＳＩＬを構成する材料の屈折率ｎ_ＳＩＬや、またはＳＩＬと組み合わせる光学レンズの開口数ＮＡ０が比較的大きくすることによって、上記式（１）で求められる実効的な開口数ＮＡを例えば２．０以上程度に高くすることができる。
これに対して、光記録媒体の最表面を構成する材料として、上記特許文献２において示される上記式（２）の条件を満たすものが必要となる。通常の光記録媒体の保護膜等として用いられる誘電体材料として、高い屈折率の材料が用いられることによって、解像度を確実に高めることが可能となる。

一方、上述したようにＳＩＬを用いて近接場光による記録再生を行う場合、ＳＩＬと光記録媒体の表面との距離を極めて小さく、例えば用いる記録再生用光の波長の１０分の１程度の距離を保持しなければならない。
このため、光記録媒体の最表面を構成する材料としては、屈折率が極めて高いものであると同時に、ＳＩＬとの間隔が微小なことを考慮して、また記録層等を確実に保護するために、ある程度の硬度を有するものであることが望ましい。
しかしながら現状では高屈折率で高硬度の光透過性材料が見当たらず、例えば２．０を超える高い開口数をもって近接場光による記録再生を行う場合に、確実に高い解像度を実現できる光記録媒体は報告されていない。

以上の問題に鑑みて、本発明は、２．０を超える開口数の集光レンズを用いて近接場光による記録再生を行う光記録媒体において、確実に高い解像度をもって記録及び／又は再生を行うことが可能な実用的な光記録媒体及び光記録再生方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明による光記録再生方法は、開口数が２．０以上の近接場光学系を用いて光記録媒体の記録又は再生の少なくともいずれかを行う光記録再生方法であって、前記光記録媒体として、基板上に、前記基板上に形成される記録層と、前記記録層上に形成されて屈折率が前記近接場光学系の開口数以上の材料より成る第１の光透過性誘電体層と、前記第１の光透過性誘電体層に接してこの上に形成され、屈折率が前記開口数未満で且つビッカース硬度が１０００[ｋｇ／ｍｍ^２]以上の材料より成り、膜厚が１０ｎｍ以下とされる第２の光透過性誘電体層と、を有する光記録媒体を用いて、前記第２の光透過性誘電体層上から記録又は再生用の光を照射して記録又は再生の少なくともいずれかを行う。

上述したように、本発明の光記録再生方法においては、開口数が２．０以上の近接場光学系を用いて光記録媒体の記録及び／又は再生を行うものであり、光記録媒体としてその記録又は再生用の光を照射する側の表面に、少なくとも屈折率が近接場光学系の開口数以上の第１の光透過性誘電体層と、その上に接して形成され、屈折率が前記開口数未満で且つビッカース硬度が１０００[ｋｇ／ｍｍ^２]以上の材料より成り、膜厚が１０ｎｍ以下とされる第２の光透過性誘電体層とを積層形成して構成する。このような構成とすることによって、高屈折率の第１の光透過性誘電体層の屈折率ｎが上記式（２）、すなわち実効的な開口数ＮＡに対し
ｎ≧ＮＡ ・・・・（２）
である条件を満たすものとし、一方、再生側の最表面を高硬度の第２の光透過性誘電体層を設けることによって、良好に近接場光による記録再生を行うことが可能となる。
特に本発明の光記録再生方法に用いる光記録媒体において、第２の光透過性誘電体層の膜厚を１０ｎｍ以下として構成することにより、第２の光透過性誘電体層の屈折率にかかわらず、第１の光透過性誘電体層の材料を高い屈折率とすることによって、確実に高い解像度をもって近接場光による記録再生を行うことができる。
更に、本発明の光記録再生方法に用いる光記録媒体において、第２の光透過性誘電体層を、ビッカース硬度が１０００[ｋｇ／ｍｍ^２]以上の材料より構成することによって、光記録媒体の表面の破損やＳＩＬ等の対物レンズの汚損を回避ないし抑制し、良好な記録再生を行うことが可能となる。

以上説明したように、本発明の光記録媒体及び光記録再生方法によれば、確実に高い解像度をもって近接場光による記録再生を実現できる。

以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
図１は、本発明による光記録媒体の一実施形態例の要部の概略断面構成図である。図１に示すように、本発明の光記録媒体１は、基板１０上に、反射層６２と記録部６３が設けられ、更にその上の再生側表面に、高い屈折率の第１の光透過性誘電体層６４と、その上に高硬度の第２の光透過性誘電体層６５とが積層形成された構造とする。図１において、１Ａは光記録媒体１の再生側表面を示す。
なお、第２の光透過性誘電体層６５の厚さｔは、後述するように１０ｎｍ以下程度とすることが望ましい。
また、近接場光照射手段２、例えばＳＩＬと光記録媒体１との間隔、いわゆるギャップｄは、記録及び／又は再生用の光の波長の１０分の１以下程度とすることが望ましい。

このような本発明構成の光記録媒体１に対して近接場光を照射して記録再生を行う光学ピックアップの一例の概略構成図を図２に示す。
図２に示すように、この光学ピックアップ５０においては、光源１０から出射された光は、コリメートレンズ１１により平行光とされて、偏光ビームスプリッタ１３を通過して１／４波長板１４を介してビームエキスパンダー１５によってビーム幅を調整されて、例えばダイクロイックプリズム４５により反射されてアクチュエータ１７に搭載された近接場光学系４、すなわち光学レンズ３及び近接場光照射手段２、例えばＳＩＬに入射され、光記録媒体１に近接場光として照射される。
光記録媒体１の記録面から反射された光は、近接場光照射手段２、光学レンズ３を介してダイクロイックプリズム４５により反射され、ビームエキスパンダー１５、１／４波長板１４を介して偏光ビームスプリッタ１３により一部反射されてレンズ１８により記録再生用の信号として受光部１９に集光される。

またこの場合、近接場光照射手段２例えばＳＩＬと光記録媒体１の表面との距離を検出するいわゆるギャップ検出用光として、記録再生用の光とは異なる波長の光を用いる場合を示す。すなわちこの場合は、光源１０とは異なる波長の光源４０を用いて、この光源４０からの光をコリメートレンズ４１、ビームスプリッタ４２、偏光ビームスプリッタ４３、１／４波長板４４を介してダイクロイックプリズム４５に照射し、ダイクロイックプリズム４５において光源１０からの光と合波して、光学レンズ３、近接場光照射手段２の例えばＳＩＬを介して光記録媒体１に記録再生用光及びギャップ検出用光を照射する構成とする。
光記録媒体１からのギャップ検出用光の戻り光は、ダイクロイックプリズム４５通過し、１／４波長板４４を通過して、偏光ビームスプリッタ４３により殆ど反射されるが、この偏光ビームスプリッタ４５から漏れた光をビームスプリッタ４２で反射してレンズ２０を介して受光部２１で検出し、これにより図１に示すギャップｄの制御を行うことができる。

なお、この例においては、ギャップ検出を偏光の変化を利用して検出する場合を示す。すなわち、光記録媒体と近接場光照射手段、例えばＳＩＬとのギャップが広く、ＳＩＬ端面で光が略全反射する場合には、ＳＩＬ表面で偏光が変化するので、戻り光路で偏光ビームスプリッタ４３から一部の光が漏れてくる。一方、光記録媒体とＳＩＬとが近く、近接場光が漏れて通常の反射に近い場合には偏光の変化は小さいので、偏光ビームスプリッタ４３を漏れてくる光量は小さくなる。この差すなわち、全反射戻り光量の変化を利用してギャップ検出を行い、これに基づいて近接場光照射手段２及び光学レンズ３を保持するアクチュエータ１７を図示しない駆動部により駆動することによって、光記録媒体１と近接場光照射手段２との間隔を適切に保持することができる。
なお、ギャップの検出方法としては、その他例えば静電容量の変化を検出する方法など、種々の方法を採ることができる。

なお、光記録媒体及び光記録再生方法としては、再生のみを行う再生専用、記録と再生の両方を行うことができる記録再生用を含むものである。また、光記録媒体が光磁気記録方式により記録及び／又は再生を行う場合は、光磁気記録方式と近接場光による再生方式を組み合わせ、光学ピックアップの一部に磁気コイル等を組み込むことによって記録再生が可能である。

上述の光学ピックアップを用いて、本発明の光記録媒体における光学的な効果を確認するために、２つの比較例と、本発明構成の実施形態例として光記録媒体を作製し、それぞれの光学的特性を検討した。以下これについて説明する。
以下の例においては、光記録媒体に近接場光を照射する近接場光照射手段として、ＳＩＬを用いた。
このＳＩＬを構成する材料は、上述したように、高開口数を達成するためには、屈折率の高い材料を用いることが望ましい。本出願人は、ＫＴａＯ_３（屈折率約２．３９７）より成るＳＩＬを作製した。この場合のＳＩＬの概略斜視構成図、側面図及び平面図を図３Ａ〜Ｃに示す。図３Ｂ及びＣに示すように、このＳＩＬすなわち近接場光照射手段２においては、光記録媒体１と対向する部分を円錐形状とし、対物面９を平面円形状として作製した。
このＫＴａＯ_３より成るＳＩＬをＮＡ_０＝０．４２の非球面レンズと組み合わせ、ＳＩＬへの入射角度を適切に選定して、近接場光学系の実効的な開口数をＮＡ＝２．２１として構成した。
このような構成の２群対物レンズを図２に示す近接場光学系４として組み込んで、以下に示す光記録媒体の記録再生を行った。

図４に従来構成による光記録媒体1の概略断面構成図を示す。この例においては、ＰＣ（ポリカーボネート）より成る基板６０上に案内溝６１、いわゆるＤＣグルーブ（ウォブル成分を含まないグルーブ）が形成される。そしてこの案内溝６１を覆ってＡｇ合金より成る反射層６２、Ｓｉ_３Ｎ_４層７１、ＺｎＳ−ＳｉＯ_２層７２、Ｇｅ_８Ｓｂ_２Ｔｅ_１１層７３、ＺｎＳ−ＳｉＯ_２層７４、Ｓｉ_３Ｎ_４層７５をスパッタリング等により被着して相変化型記録部を有する光記録媒体を作製し、第１の比較例とした。

なお各層の膜厚構成は、Ａｇ合金より成る反射層６２が７０ｎｍ、Ｓｉ_３Ｎ_４層７１が１０ｎｍ、ＺｎＳ−ＳｉＯ_２層７２が１０ｎｍ、Ｇｅ_８Ｓｂ_２Ｔｅ_１１層７３が１５ｎｍ、さらにその上のＺｎＳ−ＳｉＯ_２層７４が５０ｎｍ、そして最表面のＳｉ_３Ｎ_４層７５を１５ｎｍとして積層して構成した。

このように、従来の近接場光による記録再生用の記録媒体では、その最表面がＳｉ_３Ｎ_４（ｎ＝２．０）の誘電体より構成され、上述したように近接場光学系の開口数ＮＡ＝２．２１となる場合には、
ｎ＜ＮＡ
となってしまい、前述の式（２）、すなわちｎ≧ＮＡの条件を満足しないことから、十分なエバネッセント結合が行われず、その光学的特性は劣化することが予想される。

この対策として、屈折率の高い、例えばＴｉＯ_２（ｎ≒２．４）等の誘電体材料を表面に成膜することによって光学的には十分な特性が得られると予想される。
そこで、第２の比較例による光記録媒体として、図５に示すように、光記録媒体の最表面層としてＴｉＯ_２層７６を設ける構成とした。図５において、図４と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この場合、各層６２及び７１〜７３の厚さを上述の図４に示す第１の比較例と同様の厚さとし、ＺｎＳ−ＳｉＯ_２層７４の厚さを２０ｎｍとして、またＴｉＯ_２層７６の厚さを５０ｎｍとして成膜した。

以上の第1及び第２の比較例に対し、本発明構成の光記録媒体１として、図６に示すように、再生側表面１Ａに、第１及び第２の光透過性誘電体層６４及び６５を設ける実施形態例による光記録媒体１を作製した。図６において、図４と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この例においては、ＺｎＳ−ＳｉＯ_２層７４の厚さを２０ｎｍとし、その上に第１の誘電体層７６としてＴｉＯ_２層を厚さ５０ｎｍとして成膜し、さらにその表面に第２の光透過性誘電体層６５としてＳｉ_３Ｎ_４層を厚さ５ｎｍとして成膜した。その他の層６２及び７１〜７３の厚さは上述の第１及び第２の比較例と同様として構成した。
尚、これら第１及び第２の光透過性誘電体層６４及び６５をはじめ、各層の材料とその膜厚は検討用の一時的なものであり、本発明の光記録媒体はこれらの材料及び膜厚に限定されるものではない。

以上の第１及び第２の比較例と、本発明の実施形態例による光記録媒体に対し、図２において説明した光学ピックアップを用いて光学的特性の検討を行った。
先ず開口数ＮＡが１．０以上の近接場光に対し、光記録媒体と有効に結合し、近接場光が光記録媒体に進入できているかどうかを確認するために、ＳＩＬの先端からの瞳パターンの確認を行った。通常、ＳＩＬ等の対物レンズをオープンな状態とし、レンズ端が屈折率１．０の空気層とのみ隣接している場合、すなわちＳＩＬと光記録媒体の表面とが十分近接していない場合には、図７に示すように、ＮＡ＞１．０以上の領域がリングのように白く光っていることが分かる。この状態では、白く光っている部分がレンズ端面にて全反射されていることを示す。

この状態から、第１の比較例による光記録媒体をＳＩＬに近接させて、その間隔を約２０ｎｍ程度とすると、ＮＡ≒２．２の光に対し、光記録媒体の最表面の材料であるＳｉ_３Ｎ_４層７５の屈折率が２．０と若干足りないために、図８に示すように、瞳パターンの外縁部が白く光る状態となる。
すなわちこの場合には、光記録媒体の内部には高ＮＡ成分の光が進入できていないこととなり、高ＮＡ化が実現できていないことを示すものである。

これに対し、第２の比較例による光記録媒体、もしくは本発明の実施形態例を用いた場合には、図９に示すように、瞳パターンの外周部まで十分に暗くなっていることが観察され、光記録媒体の構成として、開口数ＮＡ＝２．２１に十分対応できていることが分かる。

しかしながら、第２の比較例による光記録媒体を用いた場合に、図１０に示すように、ＳＩＬ先端面が汚染されるという問題が多発することが判明した。
これは、図１１に示すように、ＴｉＯ_２のビッカース硬度が８７９[ｋｇ／ｍｍ^２]と比較的低いために、ＳＩＬが光記録媒体の表面に接触した場合、もしくは光記録媒体の表面に存在する突起物（この突起物も同じくＴｉＯ_２から成る）にＳＩＬが触れた瞬間に、ＴｉＯ_２がはぎ取られてその破片がＳＩＬ先端面に塵として付着したものと考えられる。

これに対し、本発明の実施形態例におけるように、ビッカース硬度が比較的高く１８５０[ｋｇ／ｍｍ^２]であるＳｉ_３Ｎ_４により最表面を覆うことで、ＴｉＯ_２や、その上のＳｉ_３Ｎ_４が剥がれてその破片が付着することを抑制ないしは回避できたと考えられる。
この実施形態例による光記録媒体に対して信号の記録再生を行ってその再生特性を測定したところ、図１２に示すように、安定した再生波形を得ることができることを確認した。

このように、最表面に比較的屈折率の低い第２の光透過性誘電体層を設けるにも拘らず、高ＮＡ成分の光を光記録媒体内に進入させるためには、最表面の第２の光透過性誘電体層の厚さが１０ｎｍ以下程度であることが望ましい。このように、記録及び／又は再生用の光の波長に対して十分小なる厚さの層を設ける場合は、その屈折率によらずに、近接場光が光記録媒体内に進入していくものと思われる。

また、光記録媒体の最表面に設ける第２の光透過性誘電体層として、ビッカース硬度が１０００[ｋｇ／ｍｍ^２]以上であることが望ましい。すなわち、図１１から、例えばＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣなどを用いることが可能である。

なお、本発明の光記録媒体に用いる第１及び第２の光透過性誘電体層としては、近接場光として照射する記録及び／又は再生用の光に対して十分な透過性を有する材料であればよい。

以上説明したように、本発明の光記録媒体及び光記録再生方法によれば、ＮＡが２．０以上の近接場光学系による高い解像度の記録再生が可能となり、かつ、レンズ汚染など耐ダスト性に対し優れた特性を有し、確実に高密度記録再生が可能で且つ実用的な光記録媒体を提供することができる。

なお、本発明による光記録媒体は、以上説明した各例に限定されることなく、その他種々の変形、変更が可能である。また、本発明の光記録媒体に用いる近接場光照射手段としては、上述のソリッドイマージョンレンズの他、多角形状のミラーを利用したソリッドイマージョンミラー（ＳＩＭ）を用いるなど、種々の手段を用いることが可能である。
また、光記録媒体の構成は、相変化型の他、凹凸ピットパターンによる記録マークを設けるいわゆる再生専用型、色素記録型、光磁気記録型など、各種の記録再生方式による光記録媒体に対し本発明を適用するができ、本発明構成とすることにより、高い解像度をもって、実用的に安定した近接場光による記録再生を行うことが可能となる。

本発明による光記録媒体の一実施形態例の概略断面構成図である。 本発明の光記録再生方法に用いる光学ピックアップの一例の概略構成図である。 Ａは近接場光照射手段（ＳＩＬ）の一例の概略斜視構成図である。Ｂは近接場光照射手段（ＳＩＬ）の一例の概略側面構成図である。Ｃは近接場光照射手段（ＳＩＬ）の一例の概略平面構成図である。 第１の比較例による光記録媒体の概略断面構成図である。 第２の比較例による光記録媒体の概略断面構成図である。 本発明の光記録媒体の一実施形態例の概略断面構成図である。 第１の比較例による通常の距離の瞳パターンを示す観察図である。 第１の比較例によるニアフィールドの瞳パターンを示す観察図である。 第２の比較例及び本発明実施形態例によるニアフィールドの瞳パターンを示す観察図である。 第２の比較例による記録再生後のＳＩＬ表面の拡大観察図である。 各種材料のビッカース硬度を示す図である。 本発明の光記録媒体の実施形態例による再生波形図である。

符号の説明

１．光記録媒体、２．近接場光照射手段、３．光学レンズ、４．近接場光学系、１０．光源、１１．コリメートレンズ、１３．偏光ビームスプリッタ、１４．４分の１波長板、１５．ビームエキスパンダー、１８．レンズ、１９．受光部、２０．レンズ、２１．受光部、４０．光源、４１．コリメートレンズ、４２．ビームスプリッタ、４３．偏光ビームスプリッタ、４４．４分の１波長板、４５．ダイクロイックプリズム、６０．基板、６１．案内溝、６２．反射層、６３．記録部、６４．第１の光透過性誘電体層、６５．第２の光透過性誘電体層

Claims (3)

1. 開口数が２．０以上の近接場光学系を用いて光記録媒体の記録又は再生の少なくともいずれかを行う光記録再生方法であって、
   前記光記録媒体として、基板上に、前記基板上に形成される記録層と、前記記録層上に形成されて屈折率が前記近接場光学系の開口数以上の材料より成る第１の光透過性誘電体層と、前記第１の光透過性誘電体層に接してこの上に形成され、屈折率が前記開口数未満で且つビッカース硬度が１０００[ｋｇ／ｍｍ^２]以上の材料より成り、膜厚が１０ｎｍ以下とされる第２の光透過性誘電体層と、を有する光記録媒体を用いて、
   前記第２の光透過性誘電体層上から記録又は再生用の光を照射して記録又は再生の少なくともいずれかを行う
   光記録再生方法。
2. 前記近接場光学系としてＳＩＬ（固浸レンズ）を用いる請求項１に記載の光記録再生方法。
3. 前記ＳＩＬと前記光記録媒体の前記第２の光透過性誘電体層との間隔を、記録又は再生用の光の波長の１０分の１以下程度とする請求項２に記載の光記録再生方法。